Localización y Caracterización del Área de Estudio

El área de estudio corresponde a la Región Semiárida Pampeana (RSP) de la provincia de La Pampa, Argentina comprendida entre 33º y 35º S y 63º y 65º O. Dentro de esta región se identifican dos subregiones llamadas planicie medanosa (PM) cuya superficie es de 9200 km² y la planicie con tosca (PT) con 8500 km². Sus suelos se caracterizan como Haplustol Entico con texturas arenosas, arenosas francas y francas con baja retención de agua (^{Bono et al., 1999}). Desde el punto de vista productivo, esta región se caracteriza por la actividad agrícola-ganadera, donde los principales cultivos son girasol (Helianthus annuus), maíz (Zea mayz), soja (Glycine max), trigo (Triticum aestivum) y sorgo (Sorghum bicolor). Además, debe incluirse especies como alfalfa (Medicago sativa) y pasto llorón (Eragrostis curvula) utilizados para alimentación del ganado bovino. En el área de estudio las precipitaciones varían debido a su extensión, y su variabilidad se manifiesta en sentido NE - SW, donde las mayores precipitaciones ocurren en el semestre estival, con picos notorios en los meses de octubre y marzo (^{Galmarini, 1961}). La variabilidad de las precipitaciones tanto en los totales mensuales en los anuales es elevada, siendo esta una característica de las regiones semiáridas generando influencia en la fecha de siembra y en la fecha de cosecha. Dentro del semestre estival, los meses de enero y febrero son caracterizados por su déficit hídrico acentuado no solo por las bajas precipitaciones sino por las altas temperaturas registradas. Este déficit es menor en el sector NE y E del área de estudio. Por otra parte, debido a la baja capacidad de retención de los suelos de la RSP, el periodo de aprovechamiento de las precipitaciones para el crecimiento de los cultivos es generalmente corto. Es por ello, que en años normales, el aporte por precipitaciones se lo considera insuficiente durante la época estival, provocando que la productividad de los cultivos al final del ciclo dependa del almacenamiento de agua en el perfil edáfico. Los suelos de la PT poseen limitaciones en la profundidad del perfil, debido a la presencia de un manto o costra calcárea originada por escurrimiento difuso en épocas pasadas (^{INTA, 1980}). Esta costra o manto calcáreo se manifiesta de forma variable y condiciona la capacidad de almacenaje de agua, provocando una disminución en la disponibilidad hídrica. En muchos casos la disponibilidad hídrica puede modificarse por el aporte del acuífero (nivel freático a escasa profundidad), situación que se observa frecuentemente en años húmedos en la PM donde la profundidad del nivel freático oscila entre 100 y 180 cm (^{Garnero y Quiroga, 2003}). La respuesta de cada cultivo se manifiesta a través de las respuestas multitemporales, que expresan la condición de la cobertura vegetal según condiciones ambientales.

Datos de Parcelas y Pluviometría

Para el análisis de la separabilidad espectral se evaluaron 80 parcelas de las cuales 35 corresponden a cultivos de girasol, 15 al cultivo de soja y 30 a maíz, correspondientes a las campañas agrícolas 2000-2001; 2001-2002 y 2002-2003, las cuales se distribuyeron de manera uniforme en el área de estudio. El tamaño promedio de las parcelas se estableció por encima de las 30 ha, permitiendo la toma de datos de píxeles puros. Cada parcela fue vectorizada utilizando como base la imagen LANDSAT 5, del 29 de enero de 2000 por medio del programa Arc Gis (r) (http://www.esri.com). Para analizar la dependencia de la precipitación (P), con la SE de cultivos se realizaron mapas de isoyetas para cada campaña construidos a partir de los registros de 34 estaciones pluviométricas localizadas en el área. En el análisis se consideraron las P registradas en las estaciones pluviométricas de los meses de julio a marzo, periodo que abarca el momento previo a la siembra y la totalidad del ciclo de los cultivos. A partir de los registros diarios se calcularon los totales quincenales para cada mes de cada campaña y cada estación pluviométrica. Para cada quincena se realizó un mapa de P, utilizando el método de interpolación Distancia Inversa (IDW por su sigla en inglés) (^{Isaaks y Srivastava, 1989}). Posteriormente se realizó una superposición de los mapas interpolados generando un mapa final que integra las P para cada campaña. A cada mapa obtenido se le superpuso el mapa vectorial de las explotaciones previamente digitalizadas, con la finalidad de conocer las precipitaciones quincenales en cada una de las parcelas. Posteriormente se confeccionó una planilla de datos en donde se asoció la estación pluviométrica (coordenadas X, Y) con los valores de precipitación quincenal. Para el análisis se procedió a dividir los niveles de P en barbecho (septiembre- noviembre) y etapa de crecimiento (diciembre-enero). Por último se procedió a asignar a cada muestra de cultivo el nivel de precipitaciones y el tipo de suelo, quedando disponibles los datos de parcelas asociados a cultivo y tipo de suelo como información de base. En la Figura 1 se muestra la localización de la PM y PT y la distribución de las estaciones pluviométricas y las parcela bajo estudio.

Figura 1 Localización del área de estudio. 

Datos de Imágenes de Satélite

La fuente de datos satelitales provino de la composición quincenal MOD 13Q1 V005. Estas imágenes pertenecen al parth/row ^{MODIS h12v12 (2003)} y están integradas por 15 imágenes, de las cuales para los fines del trabajo, se tuvo en cuenta la que corresponde al EVI.

Las imágenes poseen una resolución radiómétrica de 16 bits y poseen una resolución espacial de 250 m por 250 m. Posteriormente se realizó la serie multitemporal para cada campaña agrícola, logrando que cada composición se integre de 15 imágenes. Se identificaron las parcelas en la serie multitemporal, superponiendo los vectores digitalizados, permitiendo generar un área de interés y extraer la información de los píxeles correspondiente a cada parcela. La información proveniente de la muestra de píxeles fue ordenada en una planilla de cálculo. Para lograr representatividad se recurrió a la toma de píxeles puros, descartando aquellos que se situaban en los extremos del lote para evitar mezcla de información de coberturas vecinas. Para determinar la SE entre cultivos se evaluó los niveles de EVI máximos encontrados a partir de la serie multitemporal obtenidos de cada quincena (fechas) asociados a los niveles de P y el tipo de suelo. El análisis de la SE sugiere la utilización del modelo estadístico de mediciones repetidas (^{Digle, 1988}; ^{Vonesh y Carter, 1992}; ^{Wolfinger, 1993}) utilizando el programa SAS (^{SAS Institute, 1988}), que evalúa la diferencia entre los valores de EVI de cada muestra para cada quincena. En los casos que fueron necesarios la evaluación de EVI según diferentes efectos se utilizó la prueba de Tukey (^{Siegel y Tukey, 1960}).

Nivel de Precipitaciones

Las precipitaciones totales para el periodo de septiembre-febrero muestran alta variabilidad entre años y entre tipos de suelo, indicando diferencias significativas entre tipos de suelo excepto para la campaña 2002-03 (Cuadro 1). Los niveles de precipitaciones en barbecho y en el periodo de crecimiento del cultivo fueron más bajos para la campaña 2002-03 respecto del resto de las campañas evaluadas. La alta variabilidad en las precipitaciones es una característica de las regiones semiáridas y su efecto es clave en la productividad de los cultivos. La alta variabilidad en las precipitaciones en momentos previos a la implantación del cultivo y durante la etapa de crecimiento de los cultivos de verano puede causar efectos como sequías o excesos de humedad (^{Hall et al., 1992}; ^{Mercau et al., 2001}). Esto tiene importancia, ya que las precipitaciones en periodo previos a la siembra del cultivo tienen influencia en el agua almacenada en el suelo. ^{Quiroga et al. (1997)} concluyeron que las precipitaciones en la etapa de barbecho del cultivo (septiembre-noviembre) condicionan los contenidos de agua almacenada en el suelo en periodos previos a la siembra.

Cuadro 1 Precipitaciones totales para todas las campañas agrícolas. 

† Letras distintas en la misma fila indican diferencias significativas, según la prueba de Tukey (P ≤ 0.05). NS = no significativo. PTo = precipitaciones totales. PB = precipitaciones en barbecho. PC = precipitaciones durante el ciclo del cultivo. PT = planicie con tosca. PM = planicie medanosa.

Análisis de las Respuestas Multitemporales

Las series multitemporales generadas para cada campaña a partir de datos de IS del sensor MODIS permitieron reconstruir la curva de crecimiento de los cultivos y diferenciar aspectos de desarrollo. El ciclo vegetativo de cultivos agrícolas es caracterizado por 3 fechas claves, que definen 3 fases fenológicas 1) etapa de iniciación del crecimiento que se caracteriza por un aumento del área foliar y biomasa y consecuentemente la actividad fotosintética; 2) etapa de floración es el periodo que se caracteriza por presentar la mayor área foliar; 3) etapa de senescencia que se caracteriza por un decremento de la actividad fotosintética. La fenología de la vegetación tiende a seguir patrones temporales, en el caso de los cultivos, la emergencia de la hoja es seguida de un crecimiento vigoroso, seguido de un periodo estable donde se manifiesta el máximo IAF, para luego decaer. Las diferencias en los niveles de P observada entre años condiciona el desarrollo de los cultivos. Es notorio observar la disminución de la respuesta del EVI durante el estadio fenológico de floración a causa de un estrés hídrico ocasionada por niveles bajos de P. En la Figura 2 se muestra el comportamiento de la respuesta espectral del cultivo de girasol bajo 2 niveles de precipitación.

Figura 2 Cultivos de girasol pertenecientes a la planicie mendosa (PM) de la campaña 2001-02 con mayor nivel de P (línea con círculos llenos) y menor nivel de P (línea con círculos vacíos). 

Por otra parte, el cultivo de girasol presenta un sistema radicular que le permite explorar el suelo, demostrando la habilidad de extraer agua del suelo a profundidades mayores en comparación con los cultivos sorgo, maíz y soja. (^{Jones, 1984}; ^{Bremmer et al., 1986}; ^{Cabelguenne y Debaeke, 1998}; ^{Stone et al., 2002}). Esto hace que el girasol posea mayor tolerancia a la deficiencia hídrica, sumado a esto, el período de crecimiento relativamente corto en comparación con otros cultivos también reduce sus necesidades de agua lo que posiciona al cultivo como potencial para las regiones con deficiencias en las precipitaciones (^{Lamm et al., 2011}). En condiciones de estrés hídrico, el cultivo de girasol muestra ventajas frente al cultivo de maíz, lo que se manifiesta por diferencias en el desarrollo de área foliar (AF). ^{NeSmith y Ritchie (1992)} y ^{Abrecht y Carberry (1993)} encontraron que el descenso en el AF del maíz es debida una reducción de la expansión foliar y puede estar relacionada con la presencia de estrés hídrico. Estas diferencias en las precipitaciones observadas entre años se reflejan en la respuesta de los cultivos, el cual genera una disminución del AF y biomasa aérea trayendo como consecuencia menor valor de EVI (Figura 3).

Figura 3 Respuesta multitemporal del cultivo de girasol (líneas con círculos llenos) frente al cultivo de maíz (líneas con círculos vacíos) perteneciente a una misma campaña con deficiencias hídricas. 

En girasol, las fechas de siembra varían desde mediados de octubre a mediados de diciembre con un periodo óptimo en el mes de noviembre que coincide con temperaturas adecuadas para la germinación que le proporciona al cultivo las condiciones para llegar a floración con una adecuada AF. Un retraso en la fecha de siembra (como por ejemplo en diciembre) coinciden con un aumento de la temperatura del aire lo que produce una aceleración de la etapa de crecimiento haciendo que el cultivo llegue a la etapa de floración con un menor AF. En la Figura 4 se muestran las tres curvas logradas las cuales expresan la respuesta espectral del cultivo de girasol bajo diferentes fechas de siembra. Fechas más tardías (5 de enero) manifiestan menores valores de EVI al momento de la floración debido a un menor desarrollo del cultivo (línea con círculos llenos), respecto a cultivos de fecha intermedia (línea con rombos). La diferencia espectral observada en el periodo de floración en cultivos sembrados en fechas óptimas (círculos vacíos) es debida a la diferencia en disponibilidad hídrica al momento de la siembra.

Figura 4 Respuestas multitemporales del cultivo de girasol para diferentes fechas de siembra. 

En maíz, atrasos en la fecha de siembra, produce mayores tasas de crecimiento, ya que el cultivo está expuesto a mayor radiación, favoreciendo un desarrollo alto durante la etapa de crecimiento, sin embargo, cuando el cultivo ingresa en el estado reproductivo experimenta reducciones notables en la tasa de crecimiento (^{Cirilo y Andrade 1994}) lo que se manifiesta espectralmente por medio de bajos valores de EVI durante esta etapa. La Figura 5 muestra la incidencia de la fecha de siembra en maíz sobre la tasa de crecimiento y los valores de EVI alcanzados en floración para tres fechas de siembra diferentes. Las respuestas espectrales corresponden a una siembra realizada durante la segunda quincena de octubre (línea con círculos vacíos), 2^da quincena de noviembre con buen nivel hídrico en el suelo (línea con rombos), y la 2 ^da quincena de diciembre (línea con círculos llenos). En el cultivo de soja, también se observa diferencias en las fechas de siembra. Éstas obedecen a factores relacionados con la falta de disponibilidad de agua en el momento oportuno de siembra. Un retraso en la fecha de siembra trae aparejado reducción en el ciclo del cultivo, lo que se traduce en menor tasa de desarrollo y por lo tanto menor AF (^{Baigorri et al., 1995}), lo que significará menor valor de EVI en este estado fenológico.

Figura 5 Respuestas multitemporales del cultivo de maíz con diferentes fechas de siembra. 

En el cultivo de soja, la presencia de estrés hídrico durante la etapa emergencia-iniciación floral puede revertirse a través del aporte de agua por P o riego. En este contexto, la planta puede reiniciar el crecimiento del AF. No obstante, hay que considerar que frente a un estrés hídrico no solo disminuye su tasa de crecimiento, sino que dicho estado fenológico permanece por más tiempo, acortando la etapa de iniciación floral-floración (^{Ritchie et al., 1996}). A diferencia de otros cultivos, la fecha de siembra está condicionada por su cultivo antecesor. Dentro de los cultivos utilizados se considera al cultivo de cebada y trigo como los principales antecesores del cultivo de soja (^{Caviglia y Andrade, 2010}). Estos cultivos antecesores utilizan parte del agua almacenada en el suelo para su desarrollo, lo cual trae como consecuencia una reducción en los contenido de agua en el suelo para el cultivo de soja provocando retrasos en la fecha de siembra (^{Forjan y Manso, 2008}; ^{Calviño et al., 2003a},^b). Los cultivos antecesores alcanzan valores altos de IAF entre segunda quincena de octubre y la primera de noviembre, lo cual explica los altos valores de EVI encontrados durante ese periodo. Debido a esto, el cultivo antecesor es cosechado a partir de segunda quincena de diciembre, generando un retraso en la fecha de siembra del cultivo de soja.

El cultivo de soja realizado bajo esta tecnología en general manifiesta un menor crecimiento durante la primera etapa y menor valor de AF que se traducen en bajos valores de EVI. La Figura 6 muestra la respuesta del cultivo de soja sin antecesor (línea con triángulos) y con cultivo antecesor cebada (línea con círculos vacíos) y trigo (línea con círculos llenos). Obsérvese las diferencias en crecimiento, valores de EVI y longitud del ciclo entre las curvas sin antecesor y antecesor trigo. Esto pone de manifiesto que suelos arenosos y profundos como los que se encuentran en la PM tienen menos capacidad de almacenar agua debido a su composición textural. No obstante, a pesar de la baja capacidad de retención de agua (CRA) de estos suelos, la posibilidad de ser más profundos le confiere mayor capacidad de almacenamiento de agua. El agua almacenada a la siembra varia con la cantidad de precipitaciones ocurridas en otoño e invierno y la longitud del barbecho definida a partir de la permanencia en el lote del cultivo antecesor (^{Sadras y Hall, 1989}; ^{Quiroga et al., 2005}; ^{Venanzi, 2005}).

Figura 6 Respuestas multitemporales del cultivo de soja con y sin antecesor. 

Esto se manifiesta por diferencias en la tasa de crecimiento y los altos valores de EVI observados en los sitios de la PM. Nuevamente el aspecto relacionado con el tipo de especie tiene relevancia, ya que el girasol por sus características morfológicas, su sistema radicular es capaz de explorar hasta los 3 m, mientras que para el cultivo de maíz, las posibilidades de explorar se reducen en la mayoría de los casos a 2 m. En la Figura 7a y ^b se observan 2 muestras de cultivo de girasol y maíz respectivamente en lotes de la PM y PT.

Figura 7 Respuestas multitemporales de 2 cultivos de girasol (A) y maíz (B) en la planicie mendosa (PM) y en la planicie con tosca (PT) respectivamente. 

La respuesta del EVI de imágenes MODIS presenta diferencias significativas tomando como variables la quincena y el tipo de cultivo (P < 0.0001), lo cual indica que es necesario analizar la separabilidad espectral de los cultivo dentro de la quincena. Por otra parte, el modelo detecta diferencia significativa a la covariable P, con lo cual explica que las diferencias entre muestras observadas dentro del año como entre años responde a cambios en los niveles de P, permitiendo encontrar periodos en donde se manifiesta alta SE. ^{Kang et al. (2003)} encontraron que la asociación entre variables climáticas y AF obtenido desde IS proporcionó información suficiente para detectar cambios en la fenología de la vegetación.

La diferenciación de la respuesta multitemporal no mostró diferencias significativas cuando se consideró la variable tipo de suelo (F-valor = 18.43). Esto implica que dentro del área de estudio se debe realizar una zonificación por la variable tipo de suelo y analizar SE de las muestras por separado. En este aspecto, al analizar la SE de las muestras ubicadas en la PM para cada quincena se observa que existe diferencias significativas entre la SE de las muestras de soja respecto del resto de los cultivos, para la segunda quincena de enero, primera y segunda quincena de marzo, y primera de abril. Mientras que para las muestras de girasol y maíz ubicadas en la PT se detectaron diferencias significativas entre la SE de girasol y maíz en la primera quincena de enero y primera quincena de febrero (P < 0.0001).